Magnetické pole stelarátoru W7-X

Výzkum energie z jaderné syntézy se v posledních čtyřiceti letech soustředil především na koncept tokamaku, ale nedávný pokrok v teorii plazmatu a výpočetního výkonu vedl k obnovení zájmu o stelarátory. Největší a nejmodernější stelarátor na světě, německý Wendelstein 7-X (W7-X), právě začal fungovat s cílem ukázat, že dřívější slabiny tohoto konceptu byly úspěšně vyřešeny a že jeho vnitřní výhody přetrvávají i při parametrech plazmatu, které se blíží hodnotám reaktoru budoucí fúzní elektrárny.

Stály vedle sebe na startovní čáře. Měly společný cíl: průmyslové využití energie termojaderné fúze. Tokamak a stelarátor. Tokamak vymýšlel Dmitrij Sacharov s ručníkem kolem pasu ve frontě na sprchu v komunálním bytě a stelarátor napadl Lymana Spitzera v lanovce na lyžovačce v Aspenu. Tokamak je princip reaktoru ITER, který staví sedm partnerů v jihofrancouzském Cadarache. Stelarátor bojuje o místo na slunci v Greifswaldu na severu Německa v Ústavu fyziky plazmatu Maxe Plancka.

Naděje vkládané do Wendelsteina

Supravodivý stelarátor Wendelstein W7-X, největší na světě, byl spuštěn 10. prosince 2015. Heliové plazma během 0,1 sekundy ohřál pomocí 1,8 MW mikrovlnného výkonu na teplotu cca milion stupňů. Po 300 experimentálních výstřelech spustila kancléřka Merkelová dne 3. února 2017 vodíkovou etapu, která směřuje k dosažení pulzu délky 30 minut. Zatím se podařilo pulzem trvajícím 0,25 sekundy ohřát plazma na 80 miliónů stupňů. V době 15 měsíční odstávky bylo instalováno 8 000 grafitových dlaždic a deset divertorových modulů, které by měly chránit stěny vakuové nádoby při pulzech trvajících 10 sekund. Do čtyř roků hodlá W7-X dosáhnout délky pulzu 30 minut a prokázat, že princip stelarátoru je přinejmenším stejně dobrý jako princip tokamaku a může aspirovat na reaktor ve fúzní elektrárně.

Proč je stelarátor opožděný oproti tokamakům

Standardní stelarátorová mantra opakuje historii stelarátorové ideje. Oproti v principu pulznímu tokamaku má výhodu nepřetržitého provozu bez potřeby elektrického proudu v plazmatu a tím i eliminaci zhoubných nestabilit - disrupcí. Jak tokamak, tak stelarátor potřebují k izolaci plazmatu od stěn vakuové komory šroubovicové magnetické pole. Tokamak si pomáhá magnetickým polem elektrického proudu indukovaného do provazce plazmatu (vlastně sekundárního závitu transformátoru), zatímco stelarátor používá speciální cívky pouze vně vakuové komory. Právě ve slůvku "speciální" je zakopaný pes zpoždění stelarátorů za tokamaky. V padesátých letech minulého století nebyli vědci schopni navrhnout, tím méně inženýři nakreslit, „speciální“ tvary stelarátorového vinutí. Jistý pokrok zaznamenali fanoušci stelarátorů koncem minulého století v Ústavu fyziky plazmatu Maxe Plancka ve stelarátoru AS. Na základě slibných výsledků se rozhodlo o stavbě velkého supravodivého stelarátoru Wendelstein W7-X. Odvahu dodaly současné počítačové výkony nesrovnatelné s dobou zrodu „generátorů hvězd“ - stelarátorů. USA se pokusila podobné zařízení vyrobit, ale na rozdíl od precizních a houževnatých Němců úsilí vzdala. Faktem je, že řada ústavů z USA navázala s ústavem Maxe Plancka oficiální spolupráci: PPPL, ORNL, LANL a další.

Jak na to

Ovšem ukazuje se, že něco jiného je navrhnout správné tvary modulárních supravodivých cívek i za pomocí superpočítačů a něco jiného je takové cívky vyrobit a instalovat. Ze 70 modulárních cívek je jich 50 neplanárních (nerovinných). W7-X je má navinuté z lépe zpracovatelného supravodivého materiálu NbTi, který však při silném magnetickém poli ztrácí supravodivost. Reaktor bude potřebovat křehký, ale výkonnější materiál Sb₃Ti. Možná, že řešením bude poslední novinka mezi supravodiči REBCO z Massatchussets Institute of Technology.

Topologie magnetických polí

Nepatrné nepřesnosti magnetických polí vzhledem k návrhu W7-X mohou mít fatální důsledky. Vědci se rozhodli před další honbou za rekordními parametry stelarátorového plazmatu prověřit topologii magnetického pole, zda odpovídá navržené. Pole vytvářejí do sebe vnořené magnetické povrchy, jejichž průřez připomíná „léta“ na pařezu. Malá nepřesnost průběhu pole, „chybné pole“ [errorfield] vytváří tzv. řetězce ostrovů, které lze změřit a chybná pole identifikovat. Vědci v Greifswaldu dosáhli při zjišťování řetězců ostrovů pozoruhodných úspěchů.

Jak se zobrazují magnetická pole

Měření řetězců ostrovů vzdáleně připomíná Wilsonovu mlžnou komoru. Komora zviditelňuje částice kosmického záření - dráha částice se v komoře objeví jako sled bublinek kondenzované páry na zářením ionizovaných atomech. Místo kosmického záření se zde použijí elektrony emitované žhavou katodou namířenou podél vybrané silokřivky. K vodní páře se přidává dusík. Elektrony excitované atomy zředěného plynu září, a protože silokřivky po oběhu stelarátorovou komorou pokračují v cestě kruhovou vakuovou komorou azimutálně posunuté o úhel rotační transformace po povrchu magnetické trubice, můžeme topologii magnetického pole pozorovat prostým okem. Posuneme-li elektronovou trysku na jiný poloměr, zviditelníme další magnetickou trubici. Průřez trubice, tzv. Poincarého mapu, získáme tak, že napříč magnetickou trubicí pohybujeme tyčí potřenou fluorescenční látkou (zde práškem ZnO:Zn). Touto metodou vědci identifikovali změny intenzity magnetického pole 100 000× menší než je střední hodnota magnetického pole v oblasti udržení. U pěti různých nerovinných cívek o rozměrech 3,5 m × 2,5 m × 1,5 m to představuje výrobu na první pohled nevyrobitelných tvarů s tolerancí ± 1 mm. Pro výrobu cívek jsou nutné jednoúčelové navíjecí stroje vybavené extrémně přesnou kontrolní technikou. Dalším zdrojem nepřesností je instalace a provoz cívek: umístění cívky, obrábění kontaktních prvků, svařování mechanických držáků, upevnění šrouby k masivnímu podpěrnému prstenci. Součet všech nepřesností může být příčinou chybového pole.

Jednou věcí je lokalizace chybových polí pomocí změření síly ostrovních řetězců, druhou věcí je eliminace těchto anomálií. Ať už se vědcům z ústavu Maxe Plancka podaří chybná pole ve stelarátoru Wendelstein W7-X opravit nebo ne, je spuštění a jeho provoz dalším významným milníkem na cestě k průmyslovému využití termojaderné fúze.

Poznámka na závěr

Existuje ještě jedno podobenství pro zobrazení topologie magnetického pole. V Brně na Vysokém učení technickém se v Ústavu matematiky zabývá zobrazováním zatmění Slunce profesor Miloslav Druckmüller (psali jsme o jeho práci v článku https://www.3pol.cz/cz/rubriky/astronomie/3-uspesni-fotografove-slunecni-korony). Kromě toho, že je vynikající vypravěč, je autorem obrázků, ze kterých jsou patrné silokřivky magnetického pole Slunce. Jde o záření fotosféry rozptýlené na elektronech plazmatu korony, což je téměř stejná „metoda“ jako zobrazení topologie magnetického pole stelarátoru. Všimněte si, že v případě prof. Druckmüllera nemluvím o fotografiích. Obrázek je totiž výsledkem počítačového zpracování mnoha snímků získaných ve spolupráci s Havajskou universitou. Více se dozvíte ve výborné přednášce pana profesora „Vyřešené a nevyřešené záhady sluneční korony“ zde: https://www.youtube.com/watch?v=qzlIuf1ze58

Úplné popisky k obrázkům v galerii:

Obr. 1: Pomocí výpočetní techniky jsou zobrazeny vybrané reprezentativní vnořené magnetické povrchy společně s magnetickým polem na zeleném povrchu. Jsou také zobrazeny soustavy cívek, kterými jsou magnetické povrchy vytvářeny – rovinné cívky hnědé, nerovinné šedé. Některé cívky jsou z náčrtu vynechány, což dovoluje zobrazení vnořených ploch (vlevo) a části Poincarého map (vpravo). Čtyři z pěti vnějších cívek jsou zobrazeny žlutě. Pátá cívka (nezobrazena) by se objevila v přední části. (Credit: Max Planck Institute for Plasma Physics)

Obr. 2: Silokřivky vytvářející magnetický povrch jsou vizualizovány ve zředěném neutrálním plynu, v tomto případě především vodní párou a dusíkem (p_n≈10^-6 mbar). Tři jasné světelné body jsou přeexponované bodové zdroje světla používané ke kalibraci geometrie sledování kamery. (Credit: Max Planck Institute for Plasma Physics)

Obr. 3: Poincarého mapa uzavřeného magnetického povrchu se zobrazuje za použití technologie fluorescenčních tyčí. Elektronový paprsek cirkuluje vakuovou komorou podél silokřivek více než 40×, tj. urazí více než 1 km podél silokřivky magnetického pole. (Credit: Max Planck Institute for Plasma Physics)

Obr. 4 Řetězec ostrovů je viditelný v poloidálně-radiální poincarého mapě vytvořené elektronovou tryskou a pohybem fluorescenční tyče jako sada šesti „bublin“, odpovídající poloidálnímu číslu 6. Řídký plyn pozadí v komoře vizualizuje silokřivky, které vytvářejí X-body řetězce ostrovů. (Credit: Max Planck Institute for Plasma Physics)